激光熔覆数值模拟过程中的热源模型

综述了几种可用于激光熔覆过程中温度场和应力场数值模拟的热源计算模型，并对其进行分析比较。指出采用有限元法，利用计算软件来实现熔覆过程中热源的添加是目前常用的优选方法。在此基础上考虑到粉末、基体、光源三者的相互作用提出了新的激光熔覆热源计算模型。关于激光熔覆热源模型的探讨为建立更加准确的激光熔覆计算模型，深入研究熔覆过程中的应力场与变形场提供帮助。     

多道激光熔覆温度场的有限元数值模拟

分析了激光熔覆过程中温度场的主要影响因素,在主要考虑边界条件和热源数据的基础上,建立了送粉式激光熔覆多道搭接情况下温度场的有限元计算模型,并对板材上搭接三道熔覆层的熔覆温度场进行了三维数值模拟,得到了每道熔覆层上中心点的温度变化规律.结果表明,在激光熔覆过程中每道熔覆层中心点上的温度随时间延长呈锯齿状变化,且每个中心点所能达到的最高温度并不相同.此外,搭接情况下,熔覆层中心点每次升温前的最低温度是随着熔覆顺序的进行而逐渐升高的,且升高趋势类似于抛物线.此计算结果合理,为研究应力场和应变场的变化规律打下基础.     

45钢送丝激光熔覆温度场及应力场模拟

针对激光熔覆过程的特点,基于有限元分析软件ANSYS,对45钢送丝激光熔覆过程的温度场和应力场进行三维数值动态模拟.建模时采用实体单元和表面单元相结合的方式,采用参数化设计划分网格,施加热源载荷,设定初始条件和基本边界条件,对流边界条件进行求解.分析了激光熔覆过程中温度场在工件上的分布规律,揭示了整个时间历程上应力强度的变化规律,为提高激光熔覆质量提供了理论依据.     

6061铝合金表面激光熔覆温度场的模拟与验证

根据激光熔覆的特点,建立了移动激光高斯热源作用下三维激光熔覆温度场的计算模型,利用有限元软件ANSYS对温度场分布进行了动态模拟.结果表明,激光熔覆温度场模拟等温线呈椭圆形,在移动热源的前方等温线密集,温度梯度较大,热源后方的等温线稀疏,温度梯度较小.采用高功率连续波Nd:YAG激光在6061铝合金表面激光熔覆SiC陶瓷粉末,形成SiCp/Al金属基复合材料改性层,熔覆层除含有Al,SiC之外,还含有少量的Al4C3,Al4SiC4相,通过熔覆层组织形貌观察及相结构分析验证了模拟结果的准确性和可靠性,为陶瓷-金属基复合材料激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

3D激光熔覆陶瓷-金属复合涂层温度场的有限元仿真与计算

通过建立移动激光高斯热源作用下三维熔覆温度场的计算机数值分析模型，在分析过程中引入了复合材料热物性参数的计算方法，考虑了相变潜热和辐射对流散热等因素，用ANSYS中的ADPL语言编制了相应的计算机程序，具有较高的计算精度。在不同的工艺参数条件下，用该模型对激光熔覆陶瓷一金属复合涂层温度场进行了分析计算，得出了熔覆过程中试样表面、端面的温度等值线分布和温度梯度分布，预测了熔池的轮廓、热影响区的形状、交界面的结合情况等，为研究激光熔覆陶瓷．金属复合材料涂层的覆层成型和凝固机制、根据熔覆层的材料设计要求选择激光熔覆工艺参数等提供了依据。     

双向扫描激光熔覆止裂机理及试验分析

针对激光熔覆过程中易出现的熔覆层开裂的问题,采用了单向送粉双向扫描激光熔覆工艺,较好地抑制了熔覆层的开裂.通过对激光熔覆过程温度场、应力场进行计算分析,发现采取单向送粉单向扫描工艺时,熔覆层顶部以及与基体接合处会出现明显的应力集中现象,且应力水平较大,而采取双向扫描工艺后,熔覆层内拉应力水平显著降低,且熔覆层顶部的应力...     

基于MSC.Marc的钛合金激光快速成形过程模拟

钛合金激光快速成形是结合CAD/CAM、高功率激光熔覆和快速原型制造的先进技术.利用准确的热传递数学模型,建立起符合实验的物理模型,计算出正确的快速成形温度场、热应力场和残余热应力场.本文面热源模型采用高斯热源,考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系,研究了用激光快速成形技术制造TC4零件过程中温度场的分布,并利用有限元软件MSC.Marc求解了相应热应力场和冷却后的残余热应力场和位移变化分布,分析了指定点的温度和应力随时间变化曲线,对成形过程进行了详细分析,为TC4零件的激光快速成形提供指导.     

激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟研究进展

简述了激光熔覆熔池的受力,包括表面张力、黏性剪力、重力以及保护气压力等,并从组织生长和熔池流淌对熔覆层的形成机理作了简要分析。同时,对激光熔覆仿真模拟中采用的不同热源模型的能量分布规律和方程进行了归纳,包括表面高斯热源、表面环形热源、高斯体热源、椭圆球热源、组合体热源等。在此基础上,分类评述了近年来国内外激光熔覆熔池温度场及流场的数值模拟方面的研究进展,并分析了各种热源模型的优势及不足,总结了不同热源的适用环境及获得的温度场、流场分布规律。此外,对熔池自由液面的研究方法进行了总结,归纳了温度场流场数值模拟模型的验证方法。同时,针对激光熔覆熔池数值模拟研究存在的问题,分别从数值模型、边界条件等方面进行了归纳,最后对其未来的发展方向进行了展望。     

齿轮轴激光熔覆轴变形的分析与控制

建立齿轮轴齿面激光熔覆过程中的应力场数值计算模型,利用有限元计算分析软件ANSYS对激光熔覆过程中齿轮轴的径向变形量进行了数值分析。计算结果表明,在采取顺序熔覆的工艺条件下,齿轮轴的径向变形将无法避免,且变形量随着扫描次数的增加而加剧,若无其他控制形变的措施,则必然导致其形变超出允许范围。采取对称熔覆工艺,可对轴的径向变形产生一定的补偿和抵消效果,有益于控制齿轮轴形变。对采用两种熔覆工艺后的轴径向变形分别进行了试验和测量。试验结果表明,采取对称熔覆工艺后,其径向跳动量小于顺序熔覆工艺条件下的1/3,计算分析与试验结果吻合,说明该工艺具有较好的控制齿轮轴形变的作用,可以推广应用于其他轴类零部件的激光熔覆修复工作。     

基于计算机技术45钢激光熔覆工艺的数值模拟

建立了尺寸为30mm×20mm×4mm的三层激光熔覆的有限元模型,并成功地对激光熔覆过程中的温度场和应力场进行了有限元模拟。结果发现:随熔覆层数的增加,结点温度逐渐增大,最大残余应力位于熔覆层与基体材料连接处,激光熔覆结束后的变形很小,同时为优化激光熔覆工艺参数提供了理论依据。     

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

铜基体上激光熔覆钴基合金的数值模拟

以黄铜为基材,钴基合金为熔覆粉末,采用预置粉末方式实现激光熔覆加工,对此过程建立三维有限元模型。考虑温度变化对热物性参数的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场和应力场进行了分析。结果表明,激光熔覆过程中的温度场变化是由非稳态到稳态的过程,熔覆层横截面上不同点热循环曲线呈锯齿状衰减;最大残余应力值出现在靠近基体的熔覆层中间位置;在其他工艺参数不变的情况下,扫描速度为8mm/s,熔覆过程的稀释率为11.5%,可以获得良好的冶金结合,并进行了试验验证;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速度为6和10mm/s熔覆过程中较为合适的功率分别为2.96和3.82kW。     

激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头影响的模拟试验分析

建立304不锈钢T形接头三维有限元模型,研究激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头热变形及残余应力的影响. 采用高斯面热源加高斯锥形体热源组合的热源模型,模拟激光电弧复合热源,并通过304不锈钢激光电弧复合堆焊工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 结果表明,焊缝截面熔池形貌的数值仿真结果与焊接工艺试验结果吻合较好,该热源模型能有效模拟激光电弧两种热源的复合作用. 确定多种焊接顺序方案,分析不同焊接顺序下T形接头温度场、残余应力和热变形情况,激光电弧复合焊接顺序对T形接头残余应力及热变形均有影响,通过对比不同顺序下残余应力值及热变形量发现,顺序焊接能有效减小焊接残余应力,同时反向焊接产生的热变形量最小. 综合分析,不锈钢T形接头顺序反向焊接的效果最佳.     

Modeling the Influence of Process Parameters and Additional Heat Sources on Residual Stresses in Laser Cladding

In laser cladding thermal contraction of the initially liquid coating during cooling causes residual stresses and possibly cracks. Preweld or postweld heating using inductors can reduce the thermal strain difference between coating and substrate and thus reduce the resulting stress. The aim of this work is to better understand the influence of various thermometallurgical and mechanical phenomena on stress evolution and to optimize the induction-assisted laser cladding process to get crack-free coatings of hard materials at high feed rates. First, an analytical one-dimensional model is used to visualize the most important features of stress evolution for a Stellite coating on a steel substrate. For more accurate studies, laser cladding is simulated including the powder-beam interaction, the powder catchment by the melt pool, and the self-consistent calculation of temperature field and bead shape. A three-dimensional finite element model and the required equivalent heat sources are derived from the results and used for the transient thermomechanical analysis, taking into account phase transformations and the elastic-plastic material behavior with strain hardening. Results are presented for the influence of process parameters such as feed rate, heat input, and inductor size on the residual stresses at a single bead of Stellite coatings on steel.     

激光熔覆三维温度场数值模型的建立与验证

综合考虑了激光熔覆热液施加，材料传热两方面的自身特点，建立了合理的激光熔覆数值模型，利用有限元法，通过计算模拟，结果表明：所得激光熔覆温度场模拟结果与实际测量情况吻合良好，从而证明了本文数值模型的正确性，为今后各种参数下激光熔覆的温度场模拟提供了一理论基础。     

感应洛伦兹力对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响

为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响,建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布;施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。